面向能源枢纽的通信技术分析

2023-08-04巩芫芳胡鑫明余加霞

通信电源技术 2023年9期

巩芫芳，胡鑫明，余加霞

（西电电力系统有限公司，陕西西安 710000）

0 引言

能源枢纽是基于新一代电力系统的概念，是一个多基础设施集成的框架，通过自动化控制和现代通信技术将可再生能源进行集成，以提高整个系统的效率和可靠性[1]。在能源枢纽（见图1）中，不同设备之间通过双向通信相互连接，根据交互信息来优化配置能源的传输，保证能源枢纽安全经济运行[2]。

图1 能源枢纽示意图

目前，数以百万计的小型发电设备被整合到新的能源枢纽中，通过共享电力的即时需求，有效改善负载平衡[3]。为了在各设施之间实现安全、可靠、高效的实时数据传输和非实时数据传输，能源枢纽通信基础设施的选择至关重要。

1 能源枢纽通信基本需求分析

传统的电力系统中，通信基础设施的信息共享和传输能力非常有限，通信系统主要从传输节点上有限数量的传感器采集的信号中获取数据[4]。现代电力系统中包含更多的传感器和执行器，为了处理庞大的数据流，必须有复杂、可靠且强大的通信基础设施，以保证能够提供安全和实时通信[5]。

在电力系统中，确保信息传输的安全是至关重要的，特别是在传输计费信息和设备控制信息等方面。为了避免黑客的攻击，必须建立有效的安全机制。随着能源消耗的增加，现有能源基础设施的老化导致了许多不可避免的电网问题。为了提高系统的可靠性和鲁棒性，应从多个方面同时考虑，例如开发安全的通信协议、应用更快和精度更高的控制设备、通过能源枢纽集成智能设备等。此外，可以同时使用有线通信和无线通信方式，提高系统的可靠性、可用性、耐久性，同时有效降低运行成本。

通信网络需要满足所有能源枢纽相关的操作，可以应用Web 服务集成等技术来提高网络的可扩展性。通过了解电力系统的潜在动态特性，评估各种服务质量（Quality of Service，QoS）关键指标（吞吐量、时延、丢包率等）对能源枢纽的影响[6]。

2 面向能源枢纽的通信网络

对于电力公司，确定通信需求、指定处理输出数据的最佳通信方式以及在整个系统中提供安全可靠的服务极其重要。目前，基于无线和有线的各种通信技术被用于智能电表和电力设施之间的数据传输。在许多情况下，无线通信比有线通信要好，它不仅成本较低，而且容易到达不可接近的地区。

能源枢纽中主要包含2 个信息流向，一是从传感器和电气设备流向智能电表，二是从智能电表到数据中心。对于第一种信息流，可以通过电力线通信或无线通信来实现，如ZigBee、6LoWPAN、Z-wave 等[7]。对于第二种信息流，可以使用蜂窝网或互联网技术来实现。目前，有3 种类型的通信基础设施网络可以应用于能源枢纽和智能电网，即家庭局域网（Home Area Network，HAN）、邻域网（Neighborhood Area Network，NAN）以及广域网（Wide Area Network，WAN）。不同网络与能源枢纽通信基础设施之间的关系如图2 所示。

图2 不同网络与能源枢纽通信基础设施连接关系

HAN 覆盖范围有限，通常为几十米，适用于小型住宅的网络搭建。与其他网络相比，HAN 网络的数据传输速率相对较低。在实际操作中，HAN 网络通过使用有线或无线调制解调器，由互联网连接进行操作。该网络实现了计算机、移动设备及其他设备之间的连接和资源共享。在能源枢纽中，所有智能家电和智能电表都可以集成到HAN 网络中。

NAN是一种允许用户经济、快速地连接到Internet的无线网络。它能够通过802.11 接入点实现较小的区域内的一个或多个人设备的连接。如果接入点为全向天线，其覆盖半径可达1 km。NAN 是Wi-Fi 热点和无线局域网(WLAN)的一个分支，并且可以将智能电表、DA 设备等一系列设备与射频网、PLC 网络、以太网或RS232、RS485 等串行接口上的一系列现场区域路由器互连。由于NAN 收集的数据存放在本地数据中心，这种存储对于分析数据、确定发电需求等非常重要[8]。

WAN 是一种计算机网络，由多个NAN 和数据集中器组成，其覆盖范围在几十千米到几千千米。最早的WAN 是由美国空军在20 世纪50 年代后期创建的，用于连接半自动地面环境雷达防御系统中的各个站点。在能源枢纽中，发电、输电以及配电都依赖于WAN 网络[9]。

对于面向能源枢纽的通信网络，通常包含WAN、NAN以及HAN三部分，它们之间的互联性如图3所示。其中，HAN 主要完成基本数据的收集，并通过智能电表与能源枢纽进行通信。

图3 能源枢纽中WAN、NAN 以及HAN 之间的互联性能

3 面向能源枢纽的通信技术

与能源枢纽相关的常见通信技术类型、常用频率、数据传输速率以及覆盖范围如表1 所示。

表1 面向能源枢纽的通信技术的特性

3.1 ZigBee 技术

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 协议发展起来的一种短距离无线通信技术，具有低功耗、低成本、低延迟以及高可靠性等特点，同时支持地理定位功能[10]。ZigBee 的传输速率在20 ～250 kb/s，适用于周期性、间歇性的数据传输，每个ZigBee 网络最多可支持255个设备。ZigBee 协议栈有4 层，即物理层、MAC 层、网络层以及应用层，其安全性主要取决于网络层和应用层。每一层都部署相应的秘钥，由带有密码块链和消息验证码的高级加密标准计数器进行加密或解密操作，确保传输数据的真实性。

3.2 WLAN 技术

WLAN 具有成本低、安装方便等诸多优点，可以应用于能源枢纽。WLAN 利用无线电或红外信号代替传统的网络布线，以提供短距离的无线网络通信。WLAN 可由任何一种无线网络协议来构建，其工作频率为2.4 ～3.5 GHz，通常不受路由器物理端口数量的限制，可以支持数十台甚至数百台设备。通过添加一个或多个中继器，可以很容易地扩展WLAN 的范围。

3.3 蜂窝网络技术

蜂窝网络又称移动网络，是一种通过蜂窝分布的无线网络，其中每个蜂窝包括一个固定位置收发器（也称基站），这些基站共同为其所在的地理区域提供无线电覆盖，同时提供100 Mb/s 的高速通信服务[11]。在大多数国家，蜂窝网络已经广泛布局，目前较为成熟的蜂窝通信技术包括通用无线分组业务（General Packet Radio Service，GPRS）、全球微波接入互操作系统（World Interoperability for Microwave Access，WiMAX）等。其中，WiMAX 的工作频率范围为2.5 ～3.5 MHz，数据传输速率为70 Mb/s，传输距离可达50 km，是最适用于能源枢纽的通信技术。

3.4 电力线通信技术

电力线通信技术使用电力线作为信息载体，通过在电力线上添加调制信号来实现设备之间的数据交换。基于不同的电力线通信标准，其数据传输速率和传输距离有很大差异。此外，电力线路最初设计是用于传输50 Hz/60 Hz 等特定频率的交流电源，因此在电力线内很难实现高频通信，这是制约电力线通信技术应用的主要因素之一。网络中的非线性负载（如整流器和晶体管等）可能会对高次谐波的通信信号造成干扰，为了解决这个问题，可以使用先进的有源滤波器。